Is och tätheten av vatten

Varför flyter is ovanpå vattnet snarare än att sjunka som de flesta fasta ämnen? Det finns två delar till svaret på denna fråga. Låt oss först titta på varför allt flyter. Låt oss sedan undersöka varför is flyter ovanpå flytande vatten istället för att sjunka till botten.

Ett ämne flyter om det är mindre tätt eller har mindre vikt per volym per enhet än andra komponenter i en blandning. Till exempel, om du kastar en handfull stenar i en hink med vatten, är klipporna tät jämfört med vattnet, kommer att sjunka. Vattnet, som är mindre tätt än klipporna, kommer att flyta. I grund och botten skjuter stenarna vattnet ur vägen eller förskjuter det. För att ett föremål ska kunna flyta måste det förflytta en vätskevikt lika med sin egen vikt.

Vatten når sin maximala densitet vid 4 ° C (40 ° F). När det svalnar längre och fryser till is blir det faktiskt mindre tätt. Å andra sidan är de flesta ämnen tätast i sitt fasta (frusna) tillstånd än i sitt flytande tillstånd. Vatten är annorlunda på grund av vätebindning.

EN vattenmolekyl är gjord av ett syre atom och två väteatomer förenade sig starkt med varandra kovalenta bindningar. Vattenmolekyler lockas också till varandra av svagare kemiska bindningar (vätebindningar) mellan det positivt laddade väte atomer och den negativt laddade syreatomer av angränsande vattenmolekyler. När vattnet svalnar till under 4 ° C justeras vätebindningarna för att hålla de negativt laddade syreatomerna isär. Detta producerar ett kristallgitter som ofta kallas is.

Isen flyter eftersom den är cirka 9% mindre tät än flytande vatten. Med andra ord tar is ungefär 9% mer utrymme än vatten, så en liter is väger mindre än liter vatten. Det tyngre vattnet förskjuter den lättare isen, så isen flyter till toppen. En konsekvens av detta är att sjöar och floder fryser från topp till botten, vilket tillåter fisk att överleva även när ytan på en sjö har frusit över. Om isen sjönk skulle vattnet förflyttas till toppen och utsättas för kallare temperatur och tvinga floder och sjöar att fylla med is och frysa fast ämne.

Men inte alla vattenis flyter på vanligt vatten. Is tillverkad med tungt vatten, som innehåller väteisotop deuterium, sjunker i vanligt vatten. Vätebindning förekommer fortfarande, men det räcker inte för att kompensera massskillnaden mellan normalt och tungt vatten. Tungt vatten is sjunker i tungt vatten.